在2維空間，生命也可能存在？_風聞

本文由微信公眾號“環球科學”（ID：huanqiukexue）授權轉載

轉載請先聯繫[email protected]

圖片來源：NASA, ESA, P. Oesch and M. Montes

在更低的維度上，生命能否存在？2維生命的設想非常誘人，但人們普遍認為，2維空間中不可能有生命存在。其中兩個重要原因是：2維引力難以維持行星軌道的穩定性；2維網絡的複雜度也無法支持生命活動。

但是，加州大學戴維斯分校物理學家J. H. C. Scargill在預印本網站發表了一篇題為“Can Life Exist in 2 + 1 Dimensions?”的論文。在這裏，空間是2維的，而時間是1維的。Scargill通過上述兩點論述，在2維空間，生命完全有可能出現。

撰文 | 張華

編輯 | 吳非

2維太陽系的穩定性

首先，Scargill從引力的角度討論了2維生命的可能性。

萬有引力的一個顯著特徵是，一旦空間不是3維的，那麼萬有引力的大小就不再與距離的平方成反比。這會引起嚴重的後果——地球繞太陽的公轉軌道變得不穩定。任何微弱的擾動，例如一顆隕石落到地球上，都會讓地球離開現有軌道。

在非3維空間，如果不修改目前的萬有引力理論（廣義相對論），就不可能存在穩定的地球繞日軌道。地球或者是被太陽吸引，落入太陽而燒燬；或者是飄離太陽系。

而在2維空間，除了軌道穩定性的問題，引力本身也是生命存在的阻力。由於2維空間的引力沒有自由度，在這裏，甚至不存在真正意義上的引力。

為了解決這個問題，Scargill在2維空間中引入一個標量場，修改了整個引力理論，從而產生全新的2維引力場。在這種條件下，Scargill證明了可以存在穩定的圓軌道——這個圓軌道描述的是地球繞着太陽公轉，而2維生物是生活在這個2維地球上的。

如果只考慮物理，2維中最重要的相互作用當然是引力，因為引力是最宏觀的，也決定了時空結構。當然，對於其他三種相互作用——電磁相互作用、強相互作用與弱相互作用在2維空間會變得怎麼樣，Scargill在研究中沒有提到。

神經網絡是一個“小世界”

隨後，Scargill從數學上證明，在2維空間中，神經網絡的複雜度具備支持生命的條件。

神經網絡是用神經元通過突起連接的複雜網絡。在數學結構上，它其實屬於圖論所研究的範疇（神經元的細胞體是圖的頂點，而突起是連接頂點的線條）。圖論起源於歐拉對戈尼斯堡七橋問題的研究，後來在四色問題等研究中發揚光大，成為一個數學的基礎分支。

比較低等的生物，比如線蟲完整的神經網絡已被繪製出來了。從目前的研究結論來看，神經網絡的一個關鍵特性在於，它們是“小世界”網絡。“小世界”網絡介於規則網絡與隨機網絡之間，同時具備規則網絡與隨機網絡的性質。

小世界特徵可以通俗理解為，這個世界其實很小，你只要通過6個人就可以認識世界上的每一個人，包括美國總統或者非洲某村的村長。而在複雜網絡中，小世界模型意味着圖中多數連接都很短，但同時有少量長程連接。

對於人腦神經網絡來説，目前腦科學研究的一個基本觀點是：人腦神經網絡展現出小世界特徵。

在數學上可以證明，與隨機網絡相比，小世界網絡具有魯棒性，因此也符合大腦的生理特性。在小世界網絡中隨機刪除節點，對網絡平均連接長度的影響很小。另外，小世界網絡有大量的局域連接配合少數隨機的全局連接，這種模式的傳輸信息效率也更高。人腦神經網絡之所以具有小世界特性，可能是在成本-效率平衡的壓力下，自然選擇的結果。

2維網絡的小世界特性

對2維生物來説，情況有一點特殊：2維生物大腦中的神經纖維不能交叉，因此其大腦的神經網絡必須是平面的，這在某種意義上限制了它的複雜性。因此，一些研究認為，二維世界太簡單了，無法讓複雜的生命出現。

但是，2維的神經網絡是否也能展示出小世界特徵呢？這正是Scargill需要解決的問題。

北京師範大學系統科學學院副教授崔曉華告訴《環球科學》：“Scargill在論文中構造了一些帶環的平面圖。環在網絡中很重要，因為帶環的網絡可以產生自我的週期行為。有研究認為，大腦處理時間信息的一項重要機制，就是利用局部神經環路記錄信息。”

Scargill在論文中證明了，帶環的2維網絡可以展現出小世界特性。

除了小世界特性，Scargill還在論文中提到了大腦神經網絡拓撲結構的另外兩個特點——層級化與模塊化，他證明了2維網絡也可以展現出這些特點。因此，在神經網絡這個角度上，2維空間也可能存在生命體。

雖然Scargill論證了2維生命體存在的可能性，但這距離證明2維生命還有很遠的距離。還有其他理由認為我們這樣的生命體無法在2維空間中存在。例如，霍金在《時間簡史》中提到，在2維空間，生命體口腔與肛門的連線（消化道）會把這個生物分割為兩個部分，因而2維生命體不能存在——當然這是從消化系統角度來論述這個問題的。或許，對於其他維度的生命，我們永遠無法找到答案。

儘管如此，這樣的討論在科學上是有益的。例如，人腦中的小世界組織模式就很有價值，尤其是在目前的計算機工程領域，功耗低、高效智能的類腦芯片的開發與之密切相關。

原始論文：

https://arxiv.org/pdf/1906.05336.pdf

本文由微信公眾號“環球科學”（ID：huanqiukexue）授權轉載

轉載請先聯繫[email protected]